Оптимальный уровень белка в рационе улучшает продуктивность коз: как антиоксиданты и энергетический обмен помогают росту

Настоящее исследование было проведено с целью оценки влияния различных концентраций сырого протеина (СП) в рационах на продуктивность роста, переваримость питательных веществ, отложение азота, рубцовую ферментацию, микробное сообщество и метаболомику сыворотки крови у растущих коз.

Пятьдесят здоровых четырёхмесячных коз породы чуаньнаньская чёрная (Capra hircus) со схожей массой тела (13,75 ± 0,27 кг) были случайным образом распределены на 5 групп. Козы получали рационы с пятью различными уровнями СП: 8,12% (T8), 10,15% (T10), 12,17% (T12), 14,13% (T14) и 16,18% (T16) соответственно. Общая продолжительность эксперимента составила 70 дней, включая 14-дневный адаптационный период. Среднесуточный прирост и коэффициент конверсии корма демонстрировали квадратичный рост и снижение соответственно по мере увеличения содержания СП в рационе. Группа T14 показала наибольший среднесуточный прирост и наилучшую эффективность конверсии корма. Наблюдалось линейное (p < 0,05) увеличение переваримости сухого вещества, нейтрально-детергентной клетчатки и кислотно-детергентной клетчатки, тогда как квадратичный эффект (p < 0,001) на потребление азота, азот кала и азот мочи был получен при увеличении содержания СП в рационе. Кроме того, уровни СП в рационе оказали квадратичное влияние на концентрацию аммиачного азота в рубце (p = 0,021), микробного белка рубца (p = 0,042), общих летучих жирных кислот (p = 0,012), ацетата (p = 0,040), изобутирата (p = 0,024) и изовалерата (p < 0,001). Результаты микробной метагеномики показали, что относительная численность буркхольдерии (Burkholderia) и бацилл (Bacillus) увеличилась (p < 0,05), тогда как относительная численность псевдомонады (Pseudomonas) и сальмонеллы (Salmonella) снизилась (p < 0,05) при сравнении группы T14 с группой T8. Результаты метаболомики показали, что дифференциально экспрессируемые метаболиты обогащали метаболизм пролина, глутатиона и аргинина, а также метаболический путь цикла лимонной кислоты. Концентрация генистеина в сыворотке крови положительно коррелировала (p < 0,05, r = 0,665) с численностью бацилл и отрицательно коррелировала (p < 0,05, r = −0,734) с численностью псевдомонады. Сделан вывод, что уровень СП в рационе 14% повышает антиоксидантную функцию и энергетический обмен у коз путём изменения состава рубцовых микроорганизмов, тем самым улучшая продуктивные показатели.

Чуаньнаньская чёрная коза (Capra hircus) является исключительной местной породой коз на юго-западе Китая и также высоко ценится как коммерческая мясная порода коз в стране. Она обладает такими благоприятными признаками, как сильная адаптивность, устойчивость к грубым кормам, быстрый рост и развитие, высокая воспроизводительная способность и вкусное мясо. Белок в рационе имеет решающее значение для животных, поскольку он участвует во множестве метаболических процессов и играет жизненно важную роль в иммунной системе (Yang и др., 2022; Van Soest и др., 1991; Zhao и др., 2020). Lima Júnior и др. (2023) сообщили, что потребности в чистом протеине (ЧП) и обменном протеине (ОП) для коз породы канинде составляли 2,19 и 1,88 г/кг МТ0,75 (масса тела0,75) соответственно. Однако Almeida и др. (2020) утверждали, что ЧПг не различался между генотипами коз (мясные, молочные и местные). Elhadi и др. (2025) использовали 48 молочных овец породы лакон в ранней лактации; они обнаружили, что более высокий уровень белка в рационе (16,6% СП) поддерживал удой, но увеличивал мочевину молока (+18%), одновременно снижая жирность молока (−4%) и содержание сухих веществ (−2%), а также повышал мочевину плазмы (+45%). Более низкий уровень белка (14,8% СП) снижал мочевину плазмы (−45%) и повышал глюкозу (+6%). Noviadi и др. (2022) оценили влияние шести уровней протеина (12–17%) в полном силосе из листьев маниоки на продуктивные показатели 24 местных коз; результаты показали, что уровень протеина 17% значительно увеличивал потребление корма и суточный прирост, тогда как уровень протеина 14% обеспечивал оптимальный коэффициент конверсии корма. Результаты показали, что хотя избыточное добавление протеина увеличивало прирост, оно повышало метаболическую нагрузку и приводило к снижению эффективности использования корма. Хотя мы все знаем, что соответствующий уровень белка в рационе может способствовать росту коз, конкретный лежащий в основе механизм остаётся неясным.

Микробная метагеномика обладает большим потенциалом и предлагает уникальные преимущества в изучении микробного мира и понимании их взаимодействий с окружающей средой и хозяевами. Более ранние исследования показали, что состав и активность микробных сообществ рубца находятся под влиянием различных факторов, включая рацион и пол (Wang и др., 2022). По сравнению с козами, получавшими рацион с содержанием 13,0% СП, относительная численность бактероидотов (Bacteroidetes) и фибробактерий (Fibrobacteres) увеличилась, тогда как относительная численность протеобактерий (Proteobacteria) и синергистетов (Synergistetes) снизилась в рубце коз, получавших рацион с 10,0% СП (Zhang и др., 2020). Fu и др. (2025) кормили 80 чёрных коз породы юньшан по четырём схемам кормления для изучения их влияния на ферментацию слепой кишки, иммунитет и микробиоту. Они обнаружили, что комбинация высокоэнергетического и высокобелкового рациона (ВЭВБ) значительно увеличивала микробное разнообразие слепой кишки (индексы Шеннона/Симпсона) и продукцию валерата, одновременно повышая численность типа фирмикут (Firmicutes) (например, род клостридий (Clostridium)). Иными словами, состав микроорганизмов рубца тесно связан с уровнем содержания белка в рационе. Метаболомика, как отрасль омикс-наук, занимающаяся комплексным анализом низкомолекулярных метаболитов в биологических системах, обладает отличительными характеристиками и преимуществами (Gertsman и Barshop, 2018). Метаболиты являются нижестоящими продуктами клеточных процессов и, таким образом, высокочувствительными индикаторами изменений в питании, воздействий окружающей среды и состояний заболевания. Эта чувствительность делает метаболомику мощным инструментом для понимания сложных биологических механизмов (Levy и др., 2017; Wang и др., 2021). Liu и др. (2025) отобрали восемь здоровых коз породы лэйчжоу массой 11 ± 0,78 кг и выращивали их на низкобелковых рационах с различными уровнями энергии с целью оценки влияния потребления низкобелковых рационов с различными уровнями энергии на бактериальное сообщество кала и метаболомику у коз. Метаболомный анализ кала показал, что после потребления низкобелковых рационов с различными уровнями энергии у коз наблюдались различные дифференциальные метаболиты. По сравнению с низкоэнергетической группой, три другие группы показали усиленный липидный обмен и метаболические пути аминокислот. Zhu и др. (2024) исследовали влияние добавления ресвератрола и β-гидрокси-β-метилмасляной кислоты при различных уровнях белка в рационе на состав микробиоты и метаболитов рубца тибетских овец. Результаты показали, что дифференциальные метаболиты были преимущественно обогащены в таких метаболических путях, как метаболизм пиримидинов, метаболизм глицина/серина/треонина и АТФ-связывающие кассетные транспортеры. Добавление ресвератрола и β-гидрокси-β-метилмасляной кислоты в рацион с 14% сырого протеина эффективно улучшало активность пищеварительных ферментов рубца и антиоксидантную способность путём модуляции микробного сообщества и регуляции метаболической активности. Однако на сегодняшний день проведено ограниченное количество исследований с совместным использованием метагеномики и метаболомики для выяснения механизма, посредством которого соответствующий уровень протеина повышает продуктивные показатели коз.

Поэтому целью настоящего исследования было выяснить, почему соответствующий уровень протеина в рационе может способствовать росту чуаньнаньских чёрных коз, с точки зрения микроорганизмов и метаболомики, посредством экспериментов по росту, пищеварению и обмену веществ. Мы предположили, что соответствующий уровень белка в рационе может изменять состав микроорганизмов рубца, тем самым изменяя антиоксидантные и противовоспалительные способности коз.

2.1 Заявление об этике обращения с животными

Все необходимые разрешения в отношении ухода за животными и управления ими для настоящего исследования были получены от комитета по институциональному уходу за животными Сычуаньского сельскохозяйственного университета (номер этики: SYXK (чуань) 2019–187).

2.2 Дизайн и управление экспериментом на животных

Пятьдесят четырёхмесячных чуаньнаньских чёрных коз (Capra hircus) со схожей массой тела (13,75 ± 0,27 кг) были отобраны в уезде Цзиньтан, Чэнду, Китай. Козы были пронумерованы ушными бирками и случайным образом разделены на 5 групп по 10 повторов в каждой, и животные в каждой группе содержались в индивидуальных клетках. Исследование включало 5 рационов с уровнями СП 8,12% (T8), 10,15% (T10), 12,17% (T12), 14,13% (T14) и 16,18% (T16) соответственно, что соответствовало 66,7, 83,3, 100, 117,7 и 133,3% рекомендуемого уровня протеина исходя из массы 15 кг и среднесуточного прироста (ССП) 150 г, указанных в Китайском стандарте кормления мясных овец и коз (NY/T 816–2021). Состав и питательная ценность рациона представлены в таблице 1. Перед началом исследовательского эксперимента козам был предоставлен 14-дневный адаптационный период, а сам исследовательский эксперимент длился 56 дней. На протяжении всего исследования всем козам дважды в день в 8:00 и 16:00 предоставлялся полный смешанный рацион. Остатки в кормушке собирали и взвешивали перед утренним кормлением на следующий день и регистрировали как массу остатков корма. Корм, предоставляемый утром, поддерживался на уровне около 5% несъеденного корма.

Таблица 1  Состав рационов и уровень питательных веществ (%, в пересчёте на сухое вещество).

2.3 Сбор образцов и анализ

2.3.1 Химический анализ

Все образцы кала, рационов и остатков корма, собранные в ходе эксперимента, высушивали при 65 °C в течение 48 ч и измельчали для прохождения через сито 0,9 мм перед анализом. Метод Ассоциации официальных аналитических химиков (AOAC 1990) использовался для определения сухого вещества (СВ), сырого протеина (СП), кальция и фосфора в образцах. Между тем, протокол Van Soest и др. (1991) соблюдался для определения кислотно-детергентной клетчатки (КДК) и нейтрально-детергентной клетчатки (НДК).

2.3.2 Продуктивность роста

Утром дня 0 и дня 56 экспериментального периода, перед утренним кормлением, измеряли массу тела всех коз. Массу регистрировали как начальную массу тела (НМТ) и конечную массу тела (КМТ) соответственно, и рассчитывали ССП. Массу корма, предоставляемого козам, измеряли ежедневно, а остатки собирали ежедневно для расчёта среднего потребления корма (СПК). Коэффициент конверсии корма рассчитывается путём деления СПК на ССП.

2.3.3 Эксперимент по пищеварению и обмену веществ

Шесть коз со схожей массой тела в каждой группе были отобраны и помещены в метаболические клетки размером 1 600 мм × 750 мм × 1 200 мм. СПК, объём кала и объём мочи каждой козы регистрировали в течение 4 последовательных дней. Приблизительно 10% образцов кала сохраняли, и перед замораживанием при −20 °C для будущего определения добавляли 10% серную кислоту во избежание потерь азота. Пластиковый таз с 10% серной кислотой использовался для сбора образцов мочи. Общий объём мочи измеряли и регистрировали мерным цилиндром. Затем отбирали 10% общего объёма мочи и замораживали при −20 °C для будущего измерения азота.

2.3.4 Ферментация рубца и метагеномика

Рубцовую жидкость собирали через ротогастральный зонд через 4 ч после кормления на день 56. pH измеряли немедленно. Концентрации аммиачного азота (NH3-N), микробного белка (МБ) и летучих жирных кислот (ЛЖК) определяли, как описано Ma и др. (2021). Для микробного анализа геномную ДНК экстрагировали из образцов T8 и T14, и выполняли секвенирование PE150 на платформе NovaSeq. Таксономическое и функциональное профилирование проводили с использованием Kraken 2 и базы данных KEGG.

2.3.5 Метаболомика сыворотки крови

Сыворотку отделяли от крови яремной вены, собранной на день 56, и хранили при −20 °C. Образцы анализировали с использованием LC–MS (Waters, США) с масс-спектрометром Q Exactive (Thermo Fisher Scientific, США). Обработку данных и многомерное моделирование (PCoA и OPLS-DA) выполняли с использованием программного обеспечения R. Дифференциальные метаболиты идентифицировали на основе p < 0,05 и VIP > 1.

2.4 Статистический анализ

Рандомизированный полный план использовался для определения влияния уровня протеина на различные параметры с использованием процедуры Mixed в SAS версии 9.4 (SAS Institute Inc., Cary, NC). Модель, использованная для анализа этих данных, была следующей:

где μ = общее среднее, Proti = эффект уровня протеина i, и Eij = случайная ошибка. Средние значения разделяли с использованием ортогональных полиномиальных контрастов для изучения линейных или квадратичных эффектов уровня протеина после того, как эффект уровня протеина был обнаружен значимым. Тест на нормальность данных выполняли с использованием процедуры Шапиро–Уилка, и значимость объявлялась при p < 0,05, тогда как тенденция рассматривалась при 0,05 ≤ p < 0,10. Корреляционный анализ Спирмена проводили для 35 отобранных метаболитов и четырёх ведущих микробных родов со значительными различиями с использованием программного обеспечения Origin (версия 9.8.0.200).

3.1 Продуктивность роста

В таблице 2 представлены результаты продуктивности роста. Содержание протеина в рационе оказало квадратичное влияние на КМТ (p < 0,05), ССП (p < 0,001) и ККК (p < 0,001). Наблюдалась тенденция к увеличению СПК с ростом содержания СП в рационе (незначимо, НЗ). ССП (p < 0,001) и ККК (p < 0,05) группы T14 были лучшими по сравнению с другими группами.

ТАБЛИЦА 2 Влияние различных концентраций протеина в рационе на продуктивность роста у растущих коз.

3.2 Видимая переваримость питательных веществ и обмен азота

В таблице 3 представлены результаты видимой переваримости питательных веществ и обмена азота. Линейный эффект был отмечен в видимой переваримости КДК (p < 0,05), тогда как квадратичные эффекты наблюдались в видимой переваримости СВ (p < 0,05) и НДК (p < 0,05). Наблюдалась квадратичная тенденция в переваримости НДК по мере увеличения уровня СП в рационе (НЗ).

ТАБЛИЦА 3 Влияние различных концентраций протеина в рационе на видимую переваримость питательных веществ и обмен азота у растущих коз.

Содержание сырого протеина в рационе оказало квадратичное влияние на потребление азота (ПА) (p < 0,001), азот кала (АК) (p < 0,001), азот мочи (АМ) (p < 0,001), удержание азота (УА) (p = 0,001) и УА/ПА (p < 0,05) (таблица 3).

3.3 Параметры ферментации рубца

Результаты параметров ферментации рубца представлены в таблице 4. Квадратичный эффект наблюдался в отношении NH3-N (p < 0,05), МБ (p < 0,05), ОЛЖК (p < 0,01), ацетата (p < 0,05), валерата (p < 0,01) и изовалерата (p < 0,001) с увеличением содержания протеина в рационе. Тем не менее, существенных различий не было отмечено в значении pH рубца, пропионате и бутирате, а также в соотношении А:П.

ТАБЛИЦА 4 Влияние различных концентраций протеина в рационе на параметры ферментации рубца у растущих коз.

3.4 Метагеномный анализ состава микроорганизмов рубца

Поскольку продуктивные показатели групп T14 и T8 были наилучшими и наихудшими соответственно, шесть голов из каждой из этих 2 групп были отобраны для метагеномного анализа микроорганизмов рубца и метаболомного анализа сыворотки крови. Используя платформу секвенирования Illumina и соблюдая процедуры контроля качества, в общей сложности 195 150 361 и 192 696 573 высокопроизводительных последовательностей были получены из образцов рубцовой жидкости групп T8 и T14. Доля последовательностей со средним показателем качества, превышающим Q30, составила 93%. Диаграмма Венна была построена для иллюстрации пересечений между двумя группами (рисунок 1a); она показала, что 127 ОТЕ (0,04% от общей последовательности) были исключительными для группы T14, и 115 ОТЕ (0,58% от общей последовательности) были уникальными для группы T8, и 3 615 ОТЕ (99,38% от общей последовательности) были общими для двух групп.

РИСУНОК 1   Сравнительный анализ микробных сообществ в рубце коз из групп T8 и T14. (a) Показывает диаграмму Венна операционных таксономических единиц (ОТЕ), тогда как (b) иллюстрирует индексы альфа-разнообразия (Chao1, Simpson и Shannon) для двух групп. (c) Изображает анализ главных координат (PCoA) микробных сообществ. (d,e) Предоставляют состав микробиоты рубца коз на уровне типа и рода соответственно. Наконец, (f) демонстрирует результаты анализа размера эффекта линейного дискриминантного анализа (LEfSe), подчёркивая дифференциальные микроорганизмы рубца в группах T8 и T14. T8 обозначал уровень сырого протеина в рационе 8%, тогда как T14 указывал на уровень сырого протеина в рационе 14%.

Индексы альфа-разнообразия микробных таксонов представлены на рисунке 1b. Не было значительных различий в индексах ACE и Chao между двумя группами (НЗ). Однако индексы Simpson и Shannon (p < 0,05) группы T14 были выше, чем у группы T8. Результат бета-разнообразия показал различимые микробные сообщества между группами T8 и T14 (рисунок 1c), при этом PCo1 и PCo2 объясняли 51,4 и 15,3% общей дисперсии соответственно.

Как показано на рисунке 1d и в таблице 5, преобладающими бактериями в группах T8 и T14 на уровне типа были фирмикуты (Firmicutes), бактероиды (Bacteroides), актинобактерии (Actinobacteria) и протеобактерии (Proteobacteria), в совокупности составляющие более 95% общей бактериальной последовательности. Относительная численность протеобактерий в группе T14 была выше, чем в группе T8 (p < 0,05), тогда как относительная численность фирмикут в группе T14 была ниже, чем в группе T8 (p < 0,05). На уровне рода 10 ведущих таксонов были изображены на рисунке 1e и в таблице 5. Относительная численность псевдомонады (Pseudomonas) и сальмонеллы (Salmonella) была выше (p < 0,05), тогда как относительная численность буркхольдерии (Burkholderia) и бацилл (Bacillus) была ниже (p < 0,05) в группе T8 по сравнению с группой T14. Анализ LefSe дал сопоставимые результаты, как показано на рисунке 1f. Для получения более глубокого понимания функциональных изменений микробиоты рубца между группой T14 и группой T8 был проведён анализ обогащения Киотской энциклопедии генов и геномов. На уровне 3 (таблица 6) было отмечено, что пути, связанные с метаболизмом аминокислот, включая метаболизм аланина, аспартата и глутамата, метаболизм глицина, серина и треонина, метаболизм цистеина и метионина, метаболизм аргинина и пролина, и метаболизм гистидина, были понижены в группе T14 по сравнению с группой T8.

ТАБЛИЦА 5 Состав и относительная численность бактериальных сообществ рубца в группах T8 и T14, проанализированных на уровне типа и рода (%).

ТАБЛИЦА 6 Прогнозируемые функции на уровне 3 бактериальной микробиоты рубца коз в группах T8 и T14.

3.5 Метаболомный анализ сыворотки крови

Графики счётных значений PCA, сравнивающие группы T8 и T14, представлены на рисунке 2a. Группы T8 и T14 были полностью различимы, при этом первая и вторая главные компоненты объясняли 19,8 и 15,8% общей дисперсии соответственно. OPLS-DA также показал чёткое различие между двумя группами (рисунок 2b). Параметры модели указали на высокую надёжность и прогностическую способность (R2X = 0,605, Q2 = 0,806). Тест перестановки указал на отсутствие переобучения (рисунок 2c).

РИСУНОК 2  Сравнительный анализ метаболитов сыворотки крови коз из групп T8 и T14. (a) График счётных значений анализа главных компонент был построен для сравнения метаболитов сыворотки крови групп T8 и T14 с использованием LC/MS. Абсцисса представляет счётное значение первой главной компоненты, тогда как ордината представляет счётное значение второй главной компоненты, при этом различные точки указывают на образцы. (b) Показывает график модели ортогонального частичного дискриминантного анализа методом наименьших квадратов (OPLS-DA), сравнивающий группу T8 с T14. (c) Отображает график перестановок, тогда как панель (d) представляет тепловую карту кластеризации значительно экспрессируемых метаболитов между группой T8 и T14. Наконец, (e) иллюстрирует карту обогащения метаболических путей при сравнении группы T14 с T8. Ось x обозначает влияние пути, тогда как ось y представляет значение −log (P). Большие размеры соответствуют большему обогащению пути, тогда как более тёмные цвета означают более высокие значения влияния пути. T8 обозначал уровень сырого протеина в рационе 8%, тогда как T14 указывал на уровень сырого протеина в рационе 14%.

Идентификация дифференциально экспрессируемых метаболитов между группой T8 и T14 проводилась с использованием модели OPLS-DA для получения счётного значения VIP >1, а также со значениями p < 0,05. Как показано на рисунке 2e и в дополнительной таблице S1, в общей сложности 35 метаболитов были признаны различающимися. Среди них 14 метаболитов, таких как генистеин, 5-гидроксииндолуксусная кислота, м-крезол, орнитин и лимонная кислота, были повышены, тогда как 21 метаболит, включая L-изолейцин, L-цистеин и L-гистидин, были понижены. Как показано на рисунке 2d и в дополнительной таблице S2, дифференциально экспрессируемые метаболиты были вовлечены в путь метаболизма гистидина, метаболизма аргинина и пролина, метаболизма глутатиона и цикла лимонной кислоты. Схематическое изображение метаболической сети проиллюстрировано на рисунке 3.

РИСУНОК 3  Сводная диаграмма, изображающая сравнение метаболической сети между группой T14 и T8. Красный цвет используется для обозначения метаболитов, которые были значительно повышены, тогда как синий используется для указания метаболитов, которые были значительно понижены. T8 обозначал уровень сырого протеина в рационе 8%, тогда как T14 указывал на уровень сырого протеина в рационе 14%.

4.1 Продуктивность роста

В настоящем исследовании СПК не подвергалось влиянию уровней СП в рационе, и аналогичные результаты были ранее сообщены Zhu и др. (2020). Однако ССП и ККК коз значительно улучшились по мере увеличения уровня протеина в рационе с 8 до 14%, что согласовывалось с предыдущими исследованиями. Titi и др. (2000) наблюдали наивысшие СПК и ССП в группе, получавшей рацион с 16% протеина, когда иорданским чёрным козам предоставляли рационы с четырьмя различными уровнями протеина (12, 14, 16 и 18%). Wang и др. (2014) также сообщили, что рацион с 17% СП приводил к более высокому ССП и улучшенному ККК по сравнению с группой хайнаньских чёрных коз с 15% СП. Наши результаты показали, что 14% СП был оптимальным, тогда как предыдущие исследования сообщали, что 16 и 17% были лучшими. Различие, как предполагается, обусловлено различными породами и возрастом коз.

4.2 Видимая переваримость питательных веществ и обмен азота

Наши результаты показали, что видимая переваримость СВ, СП, НДК и КДК значительно зависела от уровня протеина в рационе. Этот результат согласовывался с Zhu и др. (2020), которые сообщили об улучшении видимой переваримости питательных веществ у анхойских белых коз по мере увеличения уровня протеина в рационе. В настоящем исследовании видимая переваримость НДК и КДК группы T14 была выше, чем у группы T8; это может быть связано с более высоким количеством расщепляемого протеина, поступающего в рубец, что приводит к большему доступному источнику азота для роста микроорганизмов. Правильное содержание протеина в рационе может лучше удовлетворять потребности микробного роста (Liu и др., 2021). С увеличением содержания протеина в рационе активность целлюлозолитических бактерий увеличилась, что привело к увеличению видимой переваримости НДК и КДК.

В настоящем исследовании ПА и АК увеличивались с увеличением уровня протеина в рационе. Zhang и др. (2020) сообщили, что АК коз увеличился на 20,9 и 36,45% при кормлении рационами с 11,5 и 13,0% СП по сравнению с контрольной группой (СП, 10,0%). Кроме того, по мере увеличения содержания протеина в рационе с 10 до 16% УА козлят увеличилось с 3,6 до 5,6 г/сутки соответственно. Более того, АМ коз увеличился с увеличением содержания протеина в рационе, что соответствовало результатам, сообщённым Katongole и др. (2022), которые наблюдали у молочных тёлок. Эти результаты свидетельствуют о том, что соответствующий уровень протеина в рационе полезен для повышения удержания азота у коз.

4.3 Параметры ферментации рубца

Поддержание pH рубца в пределах нормального диапазона имеет решающее значение для здоровья жвачных животных, поскольку любое снижение или повышение может нарушить рост микробов рубца. В настоящем исследовании уровень протеина в рационе не оказал значительного влияния на pH рубца, который оставался в пределах нормального диапазона 5,5–7,5 (Zhang и др., 2022). Putri и др. (2021) также сообщили, что повышение потребления протеина с рационом не оказало значительного влияния на уровни pH рубца. В настоящем исследовании концентрация NH3-N продемонстрировала линейное увеличение в ответ на уровни протеина в рационе, что согласовывалось с результатами Aguerre и др. (2016), и повышенные концентрации NH3-N были приписаны ускоренной ферментации протеина, связанной с более высоким содержанием расщепляемого в рубце протеина (Souza и White, 2021).

Настоящее исследование продемонстрировало, что более высокий уровень протеина в рационе приводил к повышенным концентрациям ОЛЖК в рубце, что согласовывалось с результатами Yang и др. (2016), наблюдавшимися у чахаэрских ягнят. В настоящем исследовании концентрация пропионовой кислоты в группе T14 была выше, чем в группе T8. Как известно, пропионовая кислота служит основным субстратом для глюконеогенеза у жвачных животных (Gleason и др., 2022). Следовательно, предполагается, что козы в группе T14 проявляют более высокую эффективность использования энергии, что потенциально способствует превосходной продуктивности роста. Zhou и др. (2019) и Zhang и др. (2022) документально подтвердили, что увеличение уровня протеина в рационе с 111 до 136 г/кг СВ привело к повышенной концентрации изобутирата и изовалерата в рубце у мясного скота. Разветвлённые жирные кислоты в рубце в основном производятся путём расщепления аминокислот (Liu и др., 2023; Lu и др., 2024). Увеличение протеина в рационе, несомненно, усиливает производство разветвлённых жирных кислот.

Наблюдаемые сдвиги в параметрах ферментации рубца тесно синхронизированы с изменениями в структуре микробного сообщества. В настоящем исследовании группа T14 показала более высокую численность полезных бактерий, таких как бациллы (Bacillus) и буркхольдерия (Burkholderia), которые, как известно, обладают мощными ферментативными способностями для расщепления сложных полисахаридов. Этот микробный сдвиг, вероятно, стимулирует наблюдаемое квадратичное увеличение концентраций ОЛЖК и ацетата, поскольку эти таксоны способствуют более эффективной ферментации углеводов (Wang и др., 2022; Aguerre и др., 2016). Значительное повышение уровней МБ в группе T14 свидетельствует о том, что оптимизированное соотношение азота к энергии благоприятствовало пролиферации азот-утилизирующих бактерий, усиливая превращение аммиачного азота в бактериальную биомассу (Zhu и др., 2020). Эти результаты указывают на то, что уровни протеина в рационе модулируют метаболическую продукцию рубца путём реструктуризации микробной экосистемы, в частности путём стимулирования таксонов, которые оптимизируют сбор энергии и ассимиляцию азота.

4.4 Метагеномика микробиоты рубца

Состав и структура микроорганизмов в рубце напрямую связаны со способностью жвачных животных использовать различные виды корма. Увеличение содержания протеина было связано с одновременным увеличением индексов Шеннона и Симпсона, что указывает на стимулирование микробного разнообразия рубца. Этот результат согласовывался с результатами, сообщёнными Costa-Roura и др. (2020) у голштинских быков. Настоящее исследование продемонстрировало, что фирмикуты (Firmicutes) являются основным типом, а не бактероидеты (Bacteroidetes) и протеобактерии (Proteobacteria), что согласуется с предыдущим исследованием, проведённым на чахаэрских ягнятах (Yang и др., 2016). Исследования показали, что с возрастом микробиота рубца жвачных животных претерпевает значительные изменения. Многочисленные исследования подтвердили, что фирмикуты содержат некоторые патогенные бактерии, которые в определённой степени отражают дисбиоз или нестабильность структуры микробного сообщества желудочно-кишечного тракта (Byndloss и Baumler, 2018). Bradley и Pollard (2016) продемонстрировали связь между фирмикутами и воспалением и метаболическим синдромом. В настоящем исследовании мы наблюдали, что группа T14 проявляет сильный противовоспалительный эффект, что свидетельствует о том, что высокобелковый рацион может улучшать пищеварение и всасывание у коз. Мы предполагаем, что низкобелковый рацион может вызывать воспаление в организме, что в свою очередь влияет на изменения численности кишечной микробиоты. Другая причина заключается в том, что фирмикуты связаны с расщеплением белков (Wang и др., 2022), что обусловлено наличием уреазы у протея (Proteus), которая может быстро расщеплять мочевину и эффективно использовать белки у коз. Liu и др. (2022) сообщили, что протеобактерии значительно участвуют в деградации целлюлозы, гемицеллюлозы, крахмала и олигосахаридов, что свидетельствует о том, что козы в группе T14 проявляют повышенную расщепляемость волокнистых материалов.

На уровне рода распространённость сальмонеллы (Salmonella) и псевдомонады (Pseudomonas) была ниже в группе T14 по сравнению с группой T8, тогда как буркхольдерия (Burkholderia) и бациллы (Bacillus) были более многочисленными. Сальмонелла играет значительную роль как патогенный фактор в желудочно-кишечных заболеваниях в козоводческой отрасли США (Hempstead и др., 2022). Псевдомонада часто связана со спорадическим маститом у коз (Leitner и Krifucks, 2007). Исследование Yusuf и др. (2018) показало, что популяция псевдомонады в козлятине снижалась, когда рацион дополняли 1,5% листьями андрографиса метельчатого (Andrographis paniculata). С другой стороны, бациллы, функционируя как пробиотик, могут напрямую укреплять здоровье хозяина посредством производства различных биологически активных веществ, регуляции иммунной системы и влияния на всасывание питательных веществ (Todorov и др., 2022). da Silva и др. (2016) документально подтвердили, что непрерывное введение буркхольдерии в рубец обеспечивало защиту от отравления аморимией северной (Amorimia septentrionalis) у коз. В целом, наши результаты свидетельствуют о том, что увеличение протеина в рационе с 8 до 14% приводит к улучшению желудочно-кишечного здоровья путём снижения относительной численности патогенных бактерий и повышения относительной численности полезных бактерий. Это в конечном итоге улучшает пищеварение и всасывание питательных веществ, включая клетчатку и протеин.

Удивительно, но на уровне 3 KEGG наблюдалось заметное увеличение относительной численности генов микробиоты рубца, связанных с метаболизмом аминокислот, в группе T8 по сравнению с группой T14. Предполагается, что наблюдаемое явление является результатом компенсаторного увеличения, которое происходит, когда содержание протеина в группе T8 недостаточно для поддержания нормального микробного роста. Это свидетельствует о том, что микробиом рубца проявляет адаптивность в различных условиях кормления, несмотря на различия в составе микробиома рубца между овцами с высоким и низким остаточным потреблением корма (Zhang и др., 2021).

4.5 Метаболомный анализ сыворотки крови

Результаты метаболомного анализа сыворотки крови показали значительно более высокую концентрацию веществ с противовоспалительными и антиоксидантными свойствами, таких как генистеин и 5-гидроксииндолуксусная кислота, в группе T14 по сравнению с группой T8. Cong и др. (2022) отметили, что включение генистеина приводило к снижению экспрессии miR-21 путём ингибирования NF-kB, что впоследствии приводило к снижению воспалительного ответа. Более того, Liu и др. (2023) документально подтвердили, что генистеин обладает потенциалом восстанавливать функции антиоксидаз и снижать экспрессию компонентов инфламмасомы, содержащей пириновый домен 3 NOD-подобного рецептора, тем самым облегчая воспаление. Кроме того, Yang и др. (2022) отметили, что 5-гидроксииндолуксусная кислота была идентифицирована как новый лиганд для рецептора, связанного с G-белком (GPR35). Этот лиганд обладает способностью усиливать рекрутирование нейтрофилов к местам воспаления, облегчая клиренс патогенных бактерий путём активации GPR35. Valente и др. (2021) утверждали, что быстрый распад серотонина в тканях до 5-гидроксииндолуксусной кислоты может влиять на циклирование глюкозы и инсулина, потенциально приводя к изменениям в метаболизме растущего скота. В настоящем исследовании концентрация γ-глутамилцистеина и L-цистеина в сыворотке крови была ниже в группе T14 по сравнению с группой T8. Гамма-глутамилцистеин служит предшественником для синтеза глутатиона, который помогает организму устранять вредные свободные радикалы кислорода и облегчать различные воспалительные повреждения (Braidy и др., 2019). Снижение уровней γ-глутамилцистеина и L-цистеина может быть приписано их использованию в биосинтезе глутатиона. В настоящем исследовании наблюдалось обогащение пути метаболизма глутатиона (рисунок 2f). Более того, наши результаты указали на отрицательную корреляцию между относительной численностью Pseudomonas и противовоспалительным метаболитом генистеином, тогда как положительная корреляция наблюдалась между Burkholderia и Bacillus с тем же метаболитом (дополнительный рисунок S2). Поэтому рекомендуется, чтобы увеличение уровня протеина в рационе с 8 до 14% повышало противовоспалительную и антиоксидантную способность организма, тем самым улучшая продуктивные показатели. Концентрация сульфаметоксазола в сыворотке крови в группе T8 была ниже по сравнению с таковой в группе T14. Это наблюдение свидетельствует о том, что козы в группе T14 могли обладать более мощной метаболической системой, что привело к более быстрому выведению сульфаметоксазола.

Аргинин признан одной из наиболее важных аминокислот в клетках, поскольку он действует как предшественник для синтеза различных соединений, таких как оксид азота, мочевина, полиамины, пролин, глутамат и креатин (Sawano и др., 2019). Кроме того, взаимопревращение аргинина и орнитина в организме может объяснять наблюдаемые изменения орнитина и иминoаргинина в контексте настоящего исследования. Более того, обогащение пути метаболизма аргинина и пролина наблюдалось в группе T14 по сравнению с группой T8. В организме большая часть энергии обеспечивается ключевыми метаболическими путями, называемыми циклом трикарбоновых кислот (ЦТК) (Liu и др., 2023). Лимонная кислота служит первичным промежуточным продуктом в ЦТК и играет решающую роль в опосредовании гликолиза и глюконеогенеза (Zhao и др., 2020). Повышение уровней глюконовой кислоты, как производного глюкозы, указывает на увеличение доступности глюкозы. Согласно Michiels и др. (2023), включение 9 г/кг глюконовой кислоты в рацион привело к улучшению показателей отъёмышей поросят. Настоящее исследование выявило значительное увеличение уровней лимонной кислоты и глюконовой кислоты в группе T14 по сравнению с группой T8. Этот результат свидетельствует о потенциальном усилении энергетического обмена, что может привести к увеличению доступности энергии для роста коз группы T14 (рисунок 3). Это дополнительно объясняет причины превосходных продуктивных показателей коз группы T14 по сравнению с группой T8.

С целью поиска оптимальной потребности в сыром протеине для растущих чуаньнаньских чёрных коз были отобраны 50 коз и проведены эксперименты по росту, пищеварению и обмену веществ. Результаты показали, что с увеличением СП в рационе наблюдалось снижение относительной численности Pseudomonas и Salmonella и увеличение относительной численности Burkholderia и Bacillus, что привело к увеличению содержания общих ЛЖК, ацетата, пропионата и изобутирата. Переваримость СВ, СП и НДК увеличилась, и отложение азота также возросло. Метаболомный анализ показывает, что увеличение уровней протеина может повышать регуляцию таких антиоксидантных веществ, как генистеин и 5-гидроксииндолуксусная кислота, а также конечного продукта цикла ЦТК — лимонной кислоты. Это повышение регуляции приводит к обогащению путей биосинтеза аргинина, цикла ЦТК и метаболизма глутатиона, тем самым способствуя продуктивности роста коз. Квадратичная регрессионная модель показала, что оптимальный уровень сырого протеина в рационе для роста чуаньнаньских чёрных коз был определён как 14%, как установлено по ССП.

Дополнительный материал к этой статье можно найти онлайн по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2026.1734810/full#supplementary-material

Wang C, Zhang C, Shah AM, Wang Z, Qiu S, Xu Z, Xue B, Wang L, Hu R, Zou H, Jiang Y, Xiao J and Peng Q (2026) The optimal dietary crude protein level improves goat production performance by enhancing the body’s antioxidant function and energy metabolism. Front. Microbiol. 17:1734810. doi: 10.3389/fmicb.2026.1734810

Перевод статьи «The optimal dietary crude protein level improves goat production performance by enhancing the body’s antioxidant function and energy metabolism» авторов Wang C, Zhang C, Shah AM, Wang Z, Qiu S, Xu Z, Xue B, Wang L, Hu R, Zou H, Jiang Y, Xiao J and Peng Q, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: Designed by Freepik